Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях удорожания сырья и энергии ольшое внимание в области перфаботки полимеров уделяется вопросам оптимизации Фенологических процессов на стадии их проектирования с помощью систем автоматизи-ованного проектирования (САПР ТП), что особенно актуально для литья под давлением аполненных и ненаполненных термопластов, отличающегося широким и постоянно еняющимся ассортиментом выпускаемых изделий. Автоматизация (компьютфизация) роекпгрования технологического процесса литья и конструкции литьевой формы обес-;чит не только определение оптимальных режимов процесса, но и снижение непроизво-ггельных затрат на пфвоначальную отладку процесса и доработку оснастки на стадии зобных отливок. Необходимость доработки обусловлена трудностью точного расчета :полнительньгх размфов оформляющих полостей из-за существенной усадки пффаба->іваемого материала, возникающей на заключительных стадиях технологического эоцесса (подпитки и охлаждения), и ее зависимости от условий проведения процессов эдпитки и охлаждения. Заключительные стадии литья под давлением являются, как завило, самыми длительными, и, следовательно, определяют интенсивность и технико-:ономическую эффективность технологического процесса литья под давлением.
В этой связи важной и актуальной для оптимального проектирования и отладки хнологических процессов литья под давлением является проблема создания методоло-[и расчетов и расчетных программ, позволяющих установить количественную взаимо-язь основных параметров стадий подпитки и охлаждения (усадки матфиала и продол-ггельности стадий) с условиями литья при заданных свойствах матфиала,и базируются на комплексном описании процессов, протекающих на этих стадиях.
Цель работы: разработка методики расчета и расчетных программ для определения жимов литья под давлением термопластов и наполненньгх композиций на их основе на алиях подпитки и охлаждения. Для достижения поставленной цели в дисефтационной боте решены следующие задачи:
-проведен комплексный анализ и разработаны математические модели тепловых оцессов, протекающих в литьевой оснастке при установившемся и неустановившемся пловом режиме, а также объемных изменений в расплаве и твердой фазе тфмопластич-го некристаллизующегося полимера и наполненных композиций на его основе в юрмляющей полости литьевой формы на стадиях подпитки и охлаждения;
-разработаны алгоритмы и программы расчетов, проведены вычислительные эксперименты по расчету взаимосвязи тепловых полей формы, длительности стадий подпитки и охлаждения и усадки изделия с условиями литья (температурой расплава, давлением подпитки, температурой и расходом охлаждающей жидкости и др.) при заданных свойствах материала;
-проведена экспериментальная проверка адекватности разработанных моделей и проведенных расчетов реальным процессам;
Научная новизна. Впервые при математическом описании тепловых процессов в литьевой форме на базе учета граничных условий третьего рода и расчета количества теплоты, принимаемого жидкостью при течении по бесконечно малому отрезку канала охлаждения, имеющего постоянную температуру стенки, разработаны алгоритмы определения:
изменения температуры охлаждающей жидкости в зависимости от конструкции системы охлаждения и значений технологических режимов процесса литья, что обеспечивает повышение точности расчета температурных полей в форме и в изделии. Показано, что влияние расхода хладагента на среднюю температуру формы связано не только с зависимостью коэффициента теплоотдачи от средней скорости течения жидкости, но и с изменением ее средней температуры по длине течения;
времени, необходимого для выхода литьевой формы на установившийся тепловой режим сразу после запуска термопластавтомата, последовательным расчетом нескольких первых циклов литьевой машины до тех пор, пока разница температур стенки оформляющей полости в начале текущего цикла и в начале предыдущего цикла не окажется сравнимой с задаваемой перед началом расчета точностью. Определена количественная взаимосвязь между временем достижения установившегося температурного поля в металле оснастки, геометрическими параметрами системы охлаждения и значениями технологических режимов;
Предложено простое уравнение, коэффициенты которого определяются из pvT-диаграмм, количественно описывающее зависимость минимальной достижимой линейной усадки изделия (около впускного литникового канала) по толщине от соотношения геометрических размеров впускного канала и изделия при заданных условиях формования;
Впервые в математическую модель стадий подпитки и охлаждения при литье под давлением ненаполненньк термопластов введены математические описания термодина-
мических и реологических эффектов, присущих композиционным материалам на основе инертных наполнителей (композиции полистирола с монодисперсными стеклянными сферами), что позволило связать значения усадки и времен охлаждения и подпитки с величиной объемной концентрации наполнителя.
Практическая значимость. Создан пакет программ, который позволяет дать кон-структорско-технологические рекомендации по совершенствованию существующих, и по оптимизации вновь проектируемых технологических процессов литья под давлением, что позволяет снизить затраты на освоение новых производств литьевых изделий и осуществить технико-экономическое планирование будущих производств на научной основе. Пакет программ, разработанный по построенным моделям, позволяет рассчитать зависимость времен подпитки и охлаждения, усадки и ее колебания по длине изделия, времени выхода формы на установившийся тепловой режим и времени "холостого" подогрева формы до заданной температуры перед первым циклом литья от следующих технологических параметров, конструктивных особенностей оснастки и свойств перерабатываемого материала: температуры расплава, давления подпитки, времени цикла, температуры охлаждающей жидкости, расхода охлаждающей жидкости, геометрии каналов охлаждения, оформляющей полости и литниковой системы, температуры окружающей среды, степени наполнения композиции и распределения частиц дисперсной фазы по размерам, реологических и теплофизических свойств базового полимера и наполните- пя.
Для проведеній этих расчетов необходим минимум экспериментальных данных: pvT-диаграммы базового полимера и результаты их аппроксимации, а таюке кривые гечения базового полимера, снятые при трех температурах либо константы реологического уравнения Карро для исследуемого термопласта. Кроме того, для расчетов гребуются справочные теплофизические характеристики наполнителя и базового толимера, а также данные по конструкции литьевой формы.
Разработанный программный продукт используется в Центре Пластмасс в Пейпциге (KunststofF-Zentrum in Leipzig), консалтинговой фігоме WTTC (Werkstofle und Technologien, Transfer und Consulting) и на научно-производственном объединении 'Пластик" в Москве для проектирования технологических процессов литья под давлением і для создания компьютерной базы данных по реологическим свойствам термопластов.
6 На защиту выносятся:
-математические модели тепловых процессов в литьевой форме, а также стадий подпитки и охлаждения при лшъе под давлением термопластов и композиционных материалов на их основе;
- методы и алгоритмы расчета, а также комплекс программ для ведения расчетов по построенным моделям;
-вычислительные эксперименты, их результаты и экспериментальная проверка адекватности модели реальным процессам.
Апробация работы. По материалам диссертации опубликованы 6 статей и тезисов докладов на конференциях. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
-
РНТК "Новые материалы и технологии машиностроения", МАТИ им. КЭ.Циолковского, секция "Технология изготовления изделий из композиционных материалов", 1993.
-
НК "XX- тые Гагаринские чтения", МАТИ им. К.Э.Циолковского, 1994.
-
РНТК "Новые материалы и технологии", МАТИ им. К.Э.Циолковского, секция "Композиционные керамические, порошковые материалы и покрытия", 1994.
-
Europhysics Conference on Macromolecule Physics, Structure Developement During Polymer Processing, Eindhoven, Netherlands, July 4-7,1994.
-
Woche der offenen Tur in Kunststoff-Zentrum in Leipzig aus Anlap des 35jarigen Jubilaums des Zentrums, Seminar "Spritzgiepen von thermoplastischen Kunststoffen", 15-20 Mai, 1995.
Структура и объем диссертации. Работа содержит 162 страницы машинописного текста и 47 рисунков, состоит из введения, четырех глав, вьшодов, библиографии (74 наименования) и приложения.